浮式海洋平台结构运动耦合分析

论文摘要

系泊系统是浮式海洋平台结构的重要组成部分,正确分析浮式系泊系统的动态响应是浮式系泊系统设计的关键技术,因此,浮式结构运动耦合分析具有重要的理论研究以及工程应用价值。本文采用完全时域耦合方法,针对典型半潜式海洋平台结构及系泊系统的运动进行全耦合分析,获得平台及系泊系统的动力响应特性,比较了采用全耦合分析方法与半耦合分析方法以及非耦合分析方法对半潜式平台结构运动性能预报结果的差异,论证了采用完全时域耦合分析的优越性。在此基础上,提出了一种集悬链线系泊系统和张紧式系泊系统优势的新型系泊系统—悬链与张紧结合式新型系泊系统,通过一半潜式平台数值算例,分析了在相同条件下,采用新型系泊系统时的平台结构主体、系泊系统的水动力学性能,同时讨论了不同工作水深对新型系泊系统的影响。本论文主要研究内容包括:1.浮式平台主体结构水动力性能研究。在一阶线性波理论和二阶非线性波浪理论的基础上,基于三维频域GREEN函数法计算了浮体的辐射势及其绕射势,得到了作用在浮体上的波浪载荷。同时,采用SESAM软件,对平台浮体进行了数值仿真,得到了平台的附加质量系数、附加阻尼系数以及频响函数。2.浮式平台主体结构及系泊系统运动性能时域全耦合分析方法研究。采用完全时域耦合方法,对半潜式平台浮体及系泊系统的运动性能进行了分析,比较了采用全耦合分析方法与半耦合分析方法以及非耦合分析方法对半潜式平台结构运动性能预报结果的差异,论证了采用完全时域耦合分析的优越性。3.浮式平台新型锚泊系统概念设计及性能分析。在分析当前浮式海洋结构物中普遍采用的悬链式和张紧式系泊系统的优缺点基础上,提出了一种介于这两种系泊系统之间的新型系泊系统—悬链与张紧结合式新型系泊系统,并对这一新型系泊系统进行了数值模拟,将其仿真结果与传统的张紧式系泊系统进行了比较,结果表明,该系统可以减小浮体的偏移量,改善平台的工作条件,降低系泊缆索的张力峰值,同时还兼具了悬链线系泊系统的特点,大大降低了对锚的抗拔性能的要求。4.新型锚泊系统适用水深范围研究。通过对系泊系统在500m-3000m范围内的不同工作水深进行数值模拟,得到了浮体运动响应、缆索张力变化及质量块的质量分布随水深的变化情况,探讨了不同的工作水深对新型系泊系统和传统张紧式系泊系统的影响,给出了新型系泊系统的最佳适用的工作水深范围。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的意义和目的
• 1.2 深水浮式系统的结构形式及特点
• 1.2.1 浮式生产储油轮
• 1.2.2 张力腿平台
• 1.2.3 立柱式平台
• 1.2.4 半潜式采油平台
• 1.3 浮式结构的耦合分析方法
• 1.4 研究的内容和方法
• 1.5 课题研究的关键技术与创新点
• 第2章 基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 自由表面波的基本方程及边界条件
• 2.2.1 基本方程
• 2.2.2 边界条件
• 2.3 波浪理论
• 2.4 绕射和辐射理论
• 2.4.1 一阶边界值问题
• 2.4.2 二阶边界值问题
• 2.5 格林函数及边界元法
• 2.5.1 格林函数
• 2.5.2 边界元法
• 2.6 本章小结
• 第3章 浮式平台结构的水动力分析
• 3.1 引言
• 3.2 水动力
• 3.2.1 一阶水动力及弯矩
• 3.2.2 二阶水动力及弯矩
• 3.3 波浪载荷
• 3.3.1 波浪力
• 3.3.2 莫里森公式
• 3.4 浮体的运动方程
• 3.4.1 浮体的运动方程
• 3.4.2 运动方程的时域求解
• 3.5 数值算例
• 3.5.1 计算程序的选择
• 3.5.2 半潜式平台主要参数
• 3.5.3 平台浮体的水动力系数
• 3.5.4 平台浮体的频响函数
• 3.6 本章小结
• 第4章 浮式平台结构及系泊系统完全时域运动耦合分析方法
• 4.1 引言
• 4.2 浮式结构及系泊系统耦合分析的数学模型
• 4.2.1 浮体模型
• 4.2.2 系泊缆索模型
• 4.2.3 浮体与系泊缆索之间的连接
• 4.3 浮体及系泊系统完全时域耦合分析
• 4.3.1 静力分析
• 4.3.2 完全时域耦合的运动方程
• 4.3.3 系统运动方程的求解
• 4.4 数值算例
• 4.4.1 计算程序的选择
• 4.4.2 系泊缆索主要参数
• 4.4.3 环境参数
• 4.4.4 仿真结果及其分析
• 4.4.5 完全耦合分析、半耦合分析及非耦合分析预报结果的比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 新型系泊系统概念设计及运动耦合分析
• 5.1 引言
• 5.2 新型系泊系统概念设计方案
• 5.3 数值算例
• 5.3.1 新型系泊系统与传统张紧式系泊系统计算结果及比较分析
• 5.3.2 水深对新型系泊系统的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要研究工作与结论
• 6.1.1 主要研究工作
• 6.1.2 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 详细摘要